一、有序排列与择优取向技术现状

　　当今，布有单层金刚石或cBN的磨削刀具都是用电镀、烧结或各种钎焊方法制造的。

　　以电镀方式布上单层磨粒的磨削刀具，其超硬磨料是以机械的方式夹紧固定的。平均粒度下的余高为40%~50%，其缺点在于颗粒排列一般都是随机的，这意味着颗粒之间用来排屑并输送冷却液的空间大小是不确定的。因而，在加工过程中这些空间很容易被金属屑堵塞，最糟糕的是导致“烧”工件而成为废品。

　　理想的结构的优点是由于颗粒余高大而颗粒间隙大，从而大大改善金属磨屑的排除和冷却液的输送，于是提高了磨削能力和刀具寿命。有序排列的颗粒分布还能保证加工安全性的提高。

　　1.如所周知，在传统的电镀、树脂、陶瓷、金属结合剂金刚石(cBN)制品的生产过程中，绝大部分都是将结合剂与金刚石(cBN)磨料一起混合，为了预防金刚石的偏析需加入浸润剂液体石蜡或蒸馏水等，但伴随挥发份的挥发而污染环境。而对生产过程中震动所引起的偏析则无能为力。

　　金刚石在结合剂胎体中的分布是随机的。往往很易产生偏析和堆积，在堆积区中金刚石得不到有效利用而导致浪费，特别是xxx多颗粒金刚石由于把持不够牢固，在磨削过程几乎不作为而自行脱落。

　　目前，河南华晶工具有限公司是国内{wy}在超硬磨料工具中实施有序排列/择优取向的企业。2006年该技术已用于树脂、陶瓷、电镀、金属等结合剂的制品中，获2006年河南省重大科技成果奖。

　　2.国外的研发概况

　　2001年韩国“二和金刚石工业株式会社” 耗资200万美元，于2004年12月完成了ARIX金刚石排布系统(automatic array system)的研发，可在金刚石刀头生产中自动以{zy}间距均匀排列金刚石，克服了常规刀头生产中，金刚石随机无序排列而导致锯片切割效率低，寿命短的技术难关。

　　ARIX自动排列系统使长寿命工具与快速锯切能力得到{zy}化，解决了金刚石工具效率与寿命相互矛盾的问题。ARIX工艺可使金刚石的间距优化并{bfb}得到控制，使锯切效率提高到{zd0}程度。刀头中金刚石的均匀分布使锯片寿命提高一倍，锯切速度提高30%。工具寿命延长{bfb}。

　　Shinhan公司的绳锯在韩国工程建筑业享有出色的声誉，例如，2005年汉城市修建立交桥，在拆迁过程中，其绳锯展示出真正的价值，对于用钢筋混凝土构建的大型建筑，用有序排列金刚石绳锯切割非常方便，且没有产生很大的噪音和灰尘。

　　Shinhan公司为石材工业制造锯切工具的同时，激话了精加工领域，该领域由于化学机械抛光(CMO)修整器和金刚石划线工具应用的增长，促进了精密加工工业的发展。公司期望在50亿美元的市场份额中，五年内从目前的2%提高到10%，这种增长中的绝大部分是由ARIX自动排列系统技术扩大后所制造的刀头而取得的。2005年，Shinhan公司在金刚石方面销售总额为1200亿韩元(1.2亿美元)，其中销售收入的60%来自于海外。

　　二、金刚石均匀分布/有序排列的性能

　　金刚石工具的性能取决于多种因素，其中金刚石的粒度和质量是最关键的。金刚石工具的寿命、功率消耗与锯切效率最终取决金刚石工具表面的金刚石的间距、金刚石的浓度、金刚石凸出高度，以及金刚石的粒度与PPC值。

　　1.金刚石的间距 当均匀分布/有序排列时，金刚石间距可根据切割对象与占锯切条件不同实现{zy}化。经锯切后发现，有序排列锯片85%的金刚石的间距为2~7mm，而普通锯片该间距的比例仅为60%[2]。金刚石含量的增加对切割载荷影响不大，可切割时间明显延长，锯片寿命与效率明显提高。

　　2.金刚石浓度 当金刚石浓度提高时，有序排列金刚石锯片的寿命成几何级数提高，同时保持良好的锯切能力，但随着浓度的进一步提高，锯切能力趋于下降。

　　当采用无序排列锯片锯切时，随着金刚石浓度的提高，锯切负荷越来越大，以至不能很好锯切。当金刚石浓度达1.2ct/cm3，初期锯切无法进行。而有序排列锯片则寿命提高{bfb}锯切速度如普通锯片一样非常好。

　　3.金刚石的凸出高度 金刚石的凸出高度影响金刚石工具的性能，特别是锯切效率和锯片寿命。

　　金刚石的{zd0}凸出高度取决于其本身的粒度。而把持是否牢固应与金刚石的品质有关。当金刚石凸出高度增大时，其所承受的切割力也将提高。若金刚石能承受高的切割力，则锯切效率将得到提高。

　　增大金刚石凸出高度除选择{zy}品质与粒度外，提高把持力是重要的技术措施。例如，采用金刚石镀覆工艺，选用合理的胎体配方和采用预合金粉末是提高把持力的重要途径。

　　4.金刚石的粒度与PPC值 金刚石粒度和PPC值对金刚石工具的性能，如切割效率、锯片寿命、功率消耗和金刚石工具的磨损过程与特性具有重要影响。

　　三、有序排列/均匀分布方法

　　1.手工布粒法

　　这种方法使用的颗粒一般要求在0.5mm以上，小了不适用，虽然可进行排布，非常耗时，无法用于规模化生产。近年来，人们试图用机械手来布粒，由于磨粒的捕获与空间点阵分布困难而遭失败。

　　2.钎焊法

　　用活性钎焊连接，除强度提高外，磨粒间隙比电镀的大，颗粒的余高达到平均粒度的80%~95%。钎焊过程中由于焊料的高温熔化流动带动磨粒位移，乃至出现”挤堆”现象，这种方法不能解决磨粒的择优取向问题。而且还不能确定颗粒及间隙的位置。

　　3.模板法

　　台湾中国砂轮公司宋健民博士首先将金刚石的均匀分布/有序排列技术应用于钎焊刀头、排锯和绳锯上。这种锯齿内的金刚石在三度空间排列，可彻底解决金刚石工具长相期挥之不去的金刚石分布问题。后又将其应用于排锯，切割以前无法锯切的花岗岩，结果显示，这种新型锯齿可以每分钟1mm的速度锯切，比传统的铁砂xx倍。每克拉金刚石锯切的面积高达1平方米，接近圆锯寿命。

　　图1 具有三维结构的排锯刀头”金刚石点阵”示意图

　　4.点胶法

　　瑞典苏黎世的ETH启动“单层布粒磨削刀具优化”的研发。G。Burkhard博士等的点胶布料装置如图2 所示。该装置由一个胶水贮槽和一个微计量头构成。微计量头由压电驱动器、热敏电阻、加热线圈及电源组成，另有一个计量调控装置。胶水由贮槽经过进料管进入微计量器，施加一个电压脉冲，压电驱动器收缩，即排出一个胶滴(其{zd0}排出频率为2000Hz(喷嘴{zd0}直径40μm)。加热器用来保证胶水保持合适温度和粘度。点胶器可在工件上均匀有序排列点胶，然后将金刚石撒布在胶滴上，构成金刚石均匀排列。图2为点胶布料装置示意。

　　图2 点胶布料装置

　　瑞士ETH机床与加工研究所在研制Φ11.65×50mm镗铣刀具加工材质的齿轮中心盲孔时采用有序排列金刚石技术。

　　5.ARIX自动排列系统

　　前述韩国公司开发的ARIX自动排列系统，能自动生产，每月可生产50000个刀头。

　　四、金刚石有序排列/均匀分布的应用

　　1.镗铣刀具上的应用

　　电镀法制作的镗铣刀具的平均寿命在进刀量为0.02mm时可达5000次磨削。在这种刀具的一个优化阶段，选择了大粒度颗粒和较小的粒间间距，粒间间距的减小尽管导致刀具新状态下粒间空间的减小，但由于粒度加大，因此磨料可供使用的高度增大，从而又重新获得了粒间的空间。这种新型刀具在开始加工时的平均粗糙度要比电镀法刀具的高出约0.3μm。在约达3500个工件后，该值即为Ra=0.5μm，超过14000件后几乎保持不变了。

　　2.锯片上的应用

　　河南华晶工具公司采用了一种人工智能负压吸附装置及栅栏颗粒取向装置，它很好地解决了颗粒有序排列/择优取向问题。其装置如图3所示。

　　图3 负压吸附与择优取向装置示意图

　　该装置的工作原理是:

　　(1).由微电脑进行颗粒有序排列设计，调整有序颗粒间距;

　　(2).微电脑下达指令给吸附盘，自动调整负压大小、负压吸孔数量、吸附范围与尺寸大小等参数;

　　(3).调整栅栏选向形态及尺寸;

　　(4).超硬材料被负压吸附到选向栅栏进行择优取向，吸附盘吸附后，由机械手定位转移;

　　(5).机械手与冷压机配合装模;

　　(6).此装置对颗粒吸附率达{bfb}，对预颗粒晶面、晶棱择优取向达85%以上。

　　利用该装置开发出切割花岗岩、大理石、混凝土等锯片系列，及周边切磨片系列等产品。为了对新的制造方法的评估，华晶工具公司选用Φ400mm的有序排列/择优取向花岗岩锯片，每片刀头数量为28齿，刀头尺寸40×3.6×11.6mm，工作层高度为9.6mm,，金刚石为本公司产，粒度为40/45，强度为18Kg，颗粒形状为六-八面体。设计方案是:

　　(1).金刚石40/45，浓度25%，每克拉金刚石以1350粒计;

　　(2).切割过程中金刚石连续出刃，在金刚石锯片径向方向，当出刃余量20%~40%时，保证与其相邻的后下方金刚石颗粒出刃;

　　(3).释优取向刀头出刃点为(111)面与(110)面结合棱;

　　(4).刀头金刚石颗粒定向排列7纵面，每纵面在切割方向的同一平面上，以保证前金刚石颗粒在余1/3自然脱落时，其拖尾成为后方刚出刃颗粒的前端保护基;

　　(5).刀头同一切割面每纵面同时出刃5.4颗金刚石，既重复5.4线×7纵面，保证每一个刀头在同一个工作面上同时出刃7×5.4颗，此为有效出刃，理论表面展现2×7×5.4颗;

　　(6).排列空间点阵，点阵常数a=0.55mm，(质点间隔0.25mm)，b=102mm(质点间隔0.77mm)，c=1.08mm(质点间隔0.71mm)，α=79043’，γ=900，β=9

　　图 4 有序排列/择优取向刀头示意图

　　切割试验是在信阳一家花岗岩厂进行的，对象为福建产黑白花岗岩，切线加工，石材厚度2cm，莫氏硬度7.3级，铁锈较大。经优化的有序排列的锯片与无序排列的锯片综合比较，金刚石浓度低，实切效果1150m(无序排列锯片实切450m)，切割平稳不崩边，不跑锯，切割电流明显比无序排列锯片下降0.5A，切割机综合能耗下降30%，近地点噪音下降10db(A)，寿命是无序排列锯片的3倍，切割效率提高了30%，这一事实表明这种方法对提高金刚石的整体质量是很有潜力的。

　　3.在半导体工业中的应用

　　硅片的切割与加工，研磨与抛光平坦化为金刚石工具提供了很大的高利润市场，推动金刚石工具技术的快速发展。

　　日本Asahi金刚石工业公司在研发金刚石化学机械抛光垫修整器(Diamond CMP pad conditioner)过程中，为改善批量生产中修整器性能的一致性，达到恒定的抛光率，采用规则均布金刚石技术(Regular diamond placemant with constant pitch)，开发了三种类型CMP修整器。

　　金刚石CMP修整器的性能:

　　(1).CMP抛光盘的金刚石不能脱落，否则将使硅片表面产生宏观划痕与断续的瑕庇;

　　(2).保持恒定的抛磨率;

　　(3).具有长的寿命，以降低加工成本;

　　(4).批量产品质量稳定，每个CMP必须保持相同的性能。

　　金刚石CMP的类型 以日本旭日为例。

　　CMP-N型:高的金刚石浓度，不脱落，适于在线加工。

　　CMP-M型:有意地使有效金刚石单晶不规则分布，磨抛效率高，适于在线与非在线加工。

　　CMP-CS型:用Ni-Cr胎体材料钎焊，使金刚石形成牢固的化学键合，胎体中金刚石分布具有重复性，性能稳定。

　　CMP-NEO-UP型:独特之处是金刚石规则分布，每粒金刚石由Ni单独包裹，排除金刚石脱落的可能性。

　　CMP-NEO-U型:金刚石对工作面定向排列，高度可控，金刚石规则分布，并单独由Ni基体分别包裹。

　　我国台湾砂轮公司(KNIC)、日本松下公司、美国Abrasive Technology公司都有各自的CMP系列产品

　　五、展望

　　1.为了对工艺的可靠性以及寿命进行评估，还必须结合应用在生产条件下作进一步的试验。

　　2.将来的目标方向是，不仅要按一定的方式排列超硬磨料，还要使这些磨粒的朝向一定，从而缩短刀具的磨合时间，并进一步达到提高刀具寿命的目的。

　　3.金刚石在刀头上的均匀分布/有序排列的优越性早为人们所认识，但实施比较困难，用人工方法费力费时，效率很低，难以产业化，因此工艺与装备是极为关键的。韩国Shinhan公司开发的ARIX自动排布系统，能自动生产，每月可产50000个刀头。

　　4.有序排列/择优技术的应用，为金刚石工具产品从低端走向xx提供了有力的技术支撑。

　　5.有序排列/择优取向技术将成为超硬材料工具制备的主流技术，带动工具产业的技术进步，产品不断创新而突破传统工具的使用界限。